基于軟件無線電的OFDM系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為了構(gòu)建一個適應(yīng)性強，復(fù)用程度高，易于維護(hù)、升級的無線電系統(tǒng)平臺。提出采用軟件無線電將通信系統(tǒng)軟件模塊化的思想設(shè)計OFDM無線通信系統(tǒng)。給出了采用軟件無線電思想構(gòu)建線通信系統(tǒng)的技術(shù)方案，其中重點介紹系統(tǒng)軟件波形的開發(fā)方法，并具體給出波形算法開發(fā)流程，對于開發(fā)一個開放式的通信系統(tǒng)具有指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：軟件無線電；OFDM；CORBA；UML

傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)采用硬件電路實現(xiàn)，其優(yōu)點是技術(shù)成熟、實現(xiàn)簡單，缺點是功能單一，難以更新?lián)Q代。通信行業(yè)的競爭日趨激烈，市場需求不斷提高，必然要求新技術(shù)的研究、驗證、投入周期不斷縮短，開發(fā)成本逐步降低，而一個復(fù)用性高，開放性能良好的通信系統(tǒng)可以很好地滿足這些要求，因此如何實現(xiàn)這樣的通信系統(tǒng)就成為相關(guān)技術(shù)人員密切關(guān)注的問題。而另一方面，隨著電子計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，處理器性能不斷提高，制造成本也不斷下降，使得OFDM系統(tǒng)中很大一部分原來只能由硬件實現(xiàn)的功能完全可改由軟件方法解決�；�于以上考慮，我們提出并且實現(xiàn)了采用軟件無線電思想構(gòu)建OFDM無線通信系統(tǒng)的技術(shù)方案。

OFDM系統(tǒng)原理簡介

正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種在多個相互正交的子載波上并行傳輸數(shù)據(jù)的方法。使用快速傅里葉變換(FFT)實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)。他在移動高速數(shù)據(jù)傳輸中具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強、頻率選擇性衰落信道下性能不受影響等突出的優(yōu)點，已經(jīng)成為無線局域網(wǎng)IEEE802.11a/g協(xié)議和第四代移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)之一。OFDM通信系統(tǒng)的物理層原理如圖1所示。從圖中可以看出，整個系統(tǒng)涵蓋了編碼、交織、映射、調(diào)制解調(diào)等多種技術(shù)。對這些技術(shù)的研究在不斷深入開展，其成果不斷更新，要使通信系統(tǒng)能夠及時采用這些新的技術(shù)成果，以較小的代價更新升級，就必須使系統(tǒng)可移植、可配置、開放式結(jié)構(gòu)的特點。采用軟件無線電思想可以很好地滿足這些要求。

圖1　OFDM系統(tǒng)原理圖

軟件無線電簡介

軟件無線電(SDR)的基本思想是以一個通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現(xiàn)無線電臺的各種功能。功能的軟件化實現(xiàn)要求減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理(A/D，D/A變換)盡量靠近天線�？梢詮倪壿嬌蠈④浖�無線電分為通信業(yè)務(wù)層、無線電應(yīng)用層、無線電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層和硬件平臺等4層，如圖2所示。

通信業(yè)務(wù)層支持一般業(yè)務(wù)和無線電專門業(yè)務(wù)，負(fù)責(zé)處理協(xié)議的交互、信息優(yōu)先權(quán)等任務(wù)，提供良好的用戶接口，面向用戶。

無線電應(yīng)用層將各分布式對象一起結(jié)合到波形中，提供無線信道的接入。由于SDR具有多波段多模式的特性，他的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)是開放式的、可擴(kuò)展的框架，能夠同時接納傳統(tǒng)波形和新出現(xiàn)的技術(shù)，故而這一層應(yīng)包容多種波形的實現(xiàn)，且具有將業(yè)務(wù)和功能與該層以下各層隔離開的功能。

圖2　軟件無線電抽象邏輯層次圖

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層管理分布的多處理器環(huán)境的各種資源。目前采用操作系統(tǒng)、中間件來提供分布式環(huán)境下的通信功能，并將上層應(yīng)用和操作系統(tǒng)屏蔽開來，提高了開發(fā)的靈活性。硬件平臺物理資源和相關(guān)配置，包括天線、處理機(jī)和存儲設(shè)備等。硬件平臺的價格是SDR價格的主要因素，要考慮用戶的實際經(jīng)濟(jì)承受能力，這會對SDR的發(fā)展有重要的影響。

可以看出，SDR的功能軟件化思想使得算法的實現(xiàn)在最大程度上和具體的硬件平臺脫離。和采用硬件實現(xiàn)的方式相比較，他具有開發(fā)周期短、成本節(jié)約、便于升級的優(yōu)點。在通信領(lǐng)域不斷推陳出新的發(fā)展趨勢下，其優(yōu)越性更受矚目。一套符合軟件無線電思想的通信系統(tǒng)在新技術(shù)出現(xiàn)的情況下可以最大程度上使用現(xiàn)有資源，只作軟件層的開發(fā)替換，就可以完成系統(tǒng)的更新?lián)Q代，這對于開發(fā)商和運營商來說無疑具有很大的吸引力。

基于以上優(yōu)點，構(gòu)建結(jié)構(gòu)開放、復(fù)用性能好、成本低廉的無線OFDM系統(tǒng)應(yīng)采用SDR思想來設(shè)計和實現(xiàn)。

系統(tǒng)設(shè)計方案

本文提出的OFDM系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)采取雙工通信方式，可以作為電臺單獨使用，也可以接入局域網(wǎng)，同其他系統(tǒng)組成分布式操作環(huán)境。

圖3　基于SDR的OFDM通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

硬件處理模塊包括專用DSP芯片，模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換以及中頻變換部分，該模塊與射頻天線相連接，是數(shù)據(jù)處理的前端。在目前情況下，專用DSP芯片完成OFDM系統(tǒng)中FFT，IFFT等多路數(shù)據(jù)運算的速度比通用處理器要快很多，所以從系統(tǒng)工作效率考慮，這部分復(fù)雜數(shù)字信號處理功能仍然采用硬件電路實現(xiàn)。本文重點在于軟件部分功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，此不對硬件模塊進(jìn)行深入討論。

操作系統(tǒng)選用符合POSIX規(guī)范的嵌入式實時操作系統(tǒng)。其功能是為應(yīng)用程序提供多線程支持，屏蔽不同硬件平臺間的差異，為上層軟件提供標(biāo)準(zhǔn)的硬件訪問接口及其他一些基本服務(wù)，使上層軟件具有設(shè)備無關(guān)性，以增加軟件的可移植性。他與上層軟件通過CORBA中間件通信。CORBA中間件技術(shù)能夠提供可移植以及可配置的ORB服務(wù)。他有許多高質(zhì)量、免費可用以及源碼開放的開發(fā)平臺可供選擇，且可以被裁減到最小，為系統(tǒng)節(jié)約可觀的內(nèi)存資源，使得便攜式電臺的開發(fā)實現(xiàn)成為可能，因此選用CORBA來提供分布式應(yīng)用。

軟件部分分為面向用戶的主控制界面、負(fù)責(zé)對軟組件配置的控制器和實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用功能的軟件波形部分。這3部分間也通過CORBA提供的分布式訪問機(jī)制相互通信。主控制臺提供可視化用戶界面。所有需要配置的系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)置選項都通過友好的圖形界面提供給用戶，這使得用戶不需了解系統(tǒng)的具體實現(xiàn)就可進(jìn)行操作。控制器負(fù)責(zé)對軟件的控制功能。根據(jù)用戶界面?zhèn)鬟f來的參數(shù)對軟件波形進(jìn)行具體的配置和加載。同時也可將下層組件信息傳遞給上層用戶以供讀取、參考。作為主控和軟件波形中間層，他使軟件波形中的組件被統(tǒng)籌管理，集中控制。

軟件波形按照面向?qū)ο蟮乃枷雽⑾到y(tǒng)抽象為若干功能獨立的類，比如調(diào)制解調(diào)、編解碼、數(shù)據(jù)封幀解幀等等，他們都被抽象為不同的類。之后這些類再按照邏輯層次組合成組件。一個組件對應(yīng)一個邏輯層次，他聚合了同一邏輯層的數(shù)據(jù)處理功能，提供了與其他組件通信的一對端口，使得系統(tǒng)中零散的模塊有組織地運作，便于工程實現(xiàn)。物理組件對應(yīng)OFDM物理層功能，涉及具體的編碼、調(diào)制等算法實現(xiàn)。MAC組件完成數(shù)據(jù)封裝、信道訪問功能。IO組件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和存儲功能。

各個組件在CORBA的支持下，可以相互調(diào)用。實現(xiàn)時組件對應(yīng)著應(yīng)用程序接口類。CORBA通過接收對象請求代理和調(diào)用對象請求代理這兩種方式工作，他引入可移植的對象適配器POA作為代理，允許調(diào)用程序不必了解組件實現(xiàn)細(xì)節(jié)就可以向組件發(fā)出請求，完成特定操作，且在應(yīng)用程序的可移植過程中確保CORBA對象和與編程語言有關(guān)的伺服程序間能夠完全交互。因此，不同語言編寫的組件可以在分布式環(huán)境下采用CORBA中間件進(jìn)行通信。

下面以物理層為例來說明系統(tǒng)劃分類和組件的設(shè)計思想。圖4所示為物理組件的UML類圖。

    
    圖4　物理層的UML類圖

物理層設(shè)定的功能有編解碼、映射解映射、調(diào)制解調(diào)，對應(yīng)這3對基本功能，建立了3個相應(yīng)的類：Codeand Decode，Mapand Demap和Moduland Demodul類，還有2個完成配置功能的類：ModulSetup和Code Model Setup，分別對編解碼參數(shù)和調(diào)制解調(diào)參數(shù)進(jìn)行配置，另外還有Provider Port和UserPort兩個類來完成建立連接、釋放連接以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋＿@7個類與物理組件是聚合的關(guān)系，他們共同形成了系統(tǒng)的物理層應(yīng)用程序接口類。物理層應(yīng)用程序接口通過control操作來控制各個類的使用。

Code Model Setup類提供給用戶針對不同業(yè)務(wù)需要設(shè)置系統(tǒng)編解碼方式的功能。信道編碼采用單獨的卷積碼還是RS碼與卷積碼組成的級聯(lián)碼，編碼速率設(shè)置等，都可以在這個類中進(jìn)行配置。Modul Setup類提供設(shè)置調(diào)制解調(diào)模式的能力。用戶需要對不同的數(shù)據(jù)采用BPSK，QPSK，16QAM或是64QAM調(diào)制方式，可以通過他來配置。

Codeand Decode類中，定義了一個codetype屬性和code()、decode()兩個操作。屬性codetype為自定義的枚舉類型，表明編解碼方式和CodeModel Setup類的設(shè)置相關(guān)。根據(jù)系統(tǒng)平臺處于接收狀態(tài)還是發(fā)送狀態(tài)，物理層應(yīng)用程序接口的control函數(shù)控制著決定是要使用編碼操作還是解碼操作。然后code()、decode()操作中根據(jù)codetype屬性參數(shù)選擇相應(yīng)的編解碼處理過程。

Mapand Demap類、Modulateand Demodulate類設(shè)計思路與Codeand Decode類相類似。都定義了一個type屬性和兩個互逆的操作。由物理層的control函數(shù)決定使用發(fā)送端的映射、調(diào)制操作還是使用接收端的解調(diào)、解映射操作。再從屬性中讀取用戶設(shè)置的方式進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)處理過程。

這樣的設(shè)計方案使得這些功能類獨立于具體的通信系統(tǒng)。所建類可以作為一個算法庫來使用。編碼、映射、甚至某個具體的調(diào)制方式都不是OFDM系統(tǒng)才特有的，當(dāng)有其他的系統(tǒng)需要使用某個類實現(xiàn)的功能時，他可以直接被其他的系統(tǒng)所調(diào)用。從另一個角度來看，當(dāng)我們的系統(tǒng)功能發(fā)生改變時，只要修改、添加、刪除其中的某一個、某一些類就可以完成整個系統(tǒng)的修改。

系統(tǒng)開發(fā)、實現(xiàn)的方法和步驟

下面給出系統(tǒng)軟件部分的開發(fā)流程、工程實現(xiàn)。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖5所示。
   
   

圖5　系統(tǒng)軟件開發(fā)流程圖

確定功能就是一個需求分析的過程，對系統(tǒng)開發(fā)起決定性作用。根據(jù)功能可以劃分出不同模塊，然后使用UML語言對系統(tǒng)建模。這樣得到的系統(tǒng)模型可以映射到不同程序語言來實現(xiàn)。他使系統(tǒng)的設(shè)計獨立于具體實現(xiàn)平臺，具有良好的重用性、可維護(hù)性，對于開發(fā)大型而復(fù)雜的軟件系統(tǒng)至關(guān)重要。

從模型到語言的映射是將UML模型映射到CORBAIDL接口語言，再映射到具體的程序設(shè)計語言。具體映射過程如圖6所示。映射過程中開發(fā)者可以根據(jù)需要為系統(tǒng)選擇不同的中間件技術(shù)，不同的程序?qū)崿F(xiàn)語言。在中間件技術(shù)提供的分布式平臺下，同一系統(tǒng)的不同組件可以用不同語言來實現(xiàn)，使系統(tǒng)開發(fā)具有相當(dāng)?shù)撵`活性。

IDL文件將映射為樁碼和框架碼兩部分，分別對應(yīng)服務(wù)器端和客戶端。我們可以在生成的這些代碼的基礎(chǔ)上編寫相應(yīng)的服務(wù)器端和客戶端軟件。

圖6　系統(tǒng)工程實現(xiàn)步驟

然后是整個系統(tǒng)合成后的應(yīng)用測試。系統(tǒng)采用迭代式開發(fā)過程，上述步驟可以進(jìn)行多次，直到最后測試通過。

結(jié)語

按照軟件無線電思想開發(fā)的OFDM無線通信系統(tǒng)具有良好的可重用性、可移植性，同時易于更新升級。目前已實現(xiàn)的系統(tǒng)能夠動態(tài)地加載和卸載軟件波形組件，動態(tài)地配置組件，并能夠完成OFDM系統(tǒng)的基本通信功能，充分驗證了該系統(tǒng)方案的可行性和合理性。

由于功能組件采用軟件實現(xiàn)，當(dāng)有新算法出現(xiàn)時，只要將實現(xiàn)新算法的程序加入到算法庫中即可，這種便捷的升級方式使得系統(tǒng)非常適合用于新算法的研究、驗證和實現(xiàn)。